全航程監(jiān)測海水pH值北冰洋成全球海洋酸化“放大鏡”

2018-09-28 10:41:29 來源: 科技日報

工作人員在冰站取樣品。歐陽張弦攝

航程12000多海里，執(zhí)行我國第九次北極科學考察的“雪龍”號9月26日回到母港——位于上海的中國極地中心碼頭。

在本次科考中，科考隊以“雪龍”號為平臺，圍繞海洋酸化等熱點問題，進行了深入全航程監(jiān)測。

什么是海洋酸化?在北冰洋開展海洋酸化研究有何特別意義?目前北冰洋酸化研究存在什么困難?科技日報記者就此采訪了相關人士。

全航程監(jiān)測北冰洋海水pH值

和全球變暖“禍出同因”，海洋酸化同樣源于人類向大氣過量排放的二氧化碳。

不同的是，全球變暖是由于排入大氣中的二氧化碳溫室效應作用，海洋酸化是溶入海水中的二氧化碳和水發(fā)生化學反應，產生大量碳酸根和氫離子，變成北冰洋“汽水”。隨著溶于海水的二氧化碳不斷增加，海水pH值和碳酸鈣飽和度持續(xù)下降。

走航觀測是本次海洋酸化研究的一個重要組成部分。正因如此，對自然資源部海洋三所助理研究員祁第來說，從上海出發(fā)，經過日本海、鄂霍次克海、白令海，直到北冰洋高緯海區(qū)，以及自北冰洋返回上海，“雪龍”號69天的航程具有特別意義。

“船開出去后，借助船體加裝的高精度pH走航觀測系統，每隔20分鐘，我們就能獲得表層海水的高時空分辨率數據，初步統計，此次北極科考獲得了兩千多個點的、跨越多個經緯度的北極大空間尺度的高分辨pH走航數據。”祁第告訴記者。

海洋酸化是個很緩慢的過程，如果精度不高這種變化根本看不到。祁第說，這次科考中除了pH走航系統能進行全航線監(jiān)測外，還設置了40多個水文站位。水文站位采樣，是將重達200多公斤的CTD放入海中進行相關作業(yè)。CTD由24個10升的采水瓶和一些測試儀器組成。每下降到一定深度，采水瓶會自動采集海水樣品。船上實驗室的電腦也會實時接收并顯示儀器觀測到的海洋數據。

祁第告訴記者，此次作業(yè)中，CTD下沉至4000多米的海底，一般需經過4個多小時，才能完成作業(yè)。盡管采樣工作量大，卻是獲取海洋全水深酸化數據的最可靠手段。此外，水文站位的表層數據還可以和走航數據進行比對校正，確保了走航觀測數據精度的可靠性。

為了解海冰覆蓋下的海水酸化狀況，本次考察設置了9個短期冰站和1個長期冰站。當船到達某一個冰站，工作人員將搭乘從船上放下的小艇，行至浮冰上，借助冰芯鉆取及采集手段、半自動采水系統采集樣品，并利用海洋環(huán)境多參數分析儀，現場分析溫度和鹽度。但冰站作業(yè)卻是探究海冰融化驅動酸化機制的最直接辦法。

酸化比太平洋或大西洋等快4倍多

1999年，經國務院批準，我國首次北極科學考察隊搭乘“雪龍”號極地科學破冰船首航北冰洋。當年的科考任務中，把如今仍不被很多人所熟悉的海洋酸化研究列入其中，正是時任領隊兼首席科學家陳立奇研究員主持。

上世紀80年代，作為我國最早選派到美國學習全球變化科學的學者之一，陳立奇參與了“海氣實驗計劃”的全球計劃。大量實踐和研究使他敏銳地意識到，人類活動對全球變化的作用，已經接近并超過自然變化的強度和變率。

“從工業(yè)化到本世紀初，海洋平均pH下降0.1的時間，從每百年單位進入每十年。”談及研究的初衷，陳立奇回憶，當時的推測是，在這種全球變化背景下，作為生態(tài)系統結構簡單、對氣候和環(huán)境變化也最敏感的地區(qū)，北冰洋會首先感應到這種酸化加速并被放大。

過去20年，北極升溫幅度是全球平均升溫的6.7倍。北極快速升溫導致北冰洋海冰大量融化，每年夏季開闊水域超過1000萬平方公里，高濃度的二氧化碳容易入侵北極海水，導致其上層水體的酸度升高。

與此同時，全球變化和北極變暖引起的北極海洋環(huán)流和大氣模態(tài)異常，讓北冰洋酸化雪上加霜。北冰洋海冰覆蓋面積快速后退，誘發(fā)太平洋攜帶“腐蝕性”的酸化海水大范圍入侵，這也是導致北冰洋酸化海水快速擴張的最主要原因。

如今多項研究已證明，北冰洋是全球海洋酸化“領頭羊”。

“北冰洋是我們觀測到的第一個如此迅速且大范圍、長時間酸化加重的大洋，比在太平洋或者大西洋觀測到的結果要快4倍以上。”祁第說，歷經9次北極科考，基于對過去20年來所有橫穿北冰洋航次數據的精細分析，結合歷次我國北極科考航次的數據集成后發(fā)現，北冰洋酸化水體以每年1.5%速度快速擴張，并預估酸化水體將在本世紀中葉覆蓋整個北冰洋。

組成全球觀測網，用數據說話

2016年，一則新聞引發(fā)關注。在澳大利亞東部海岸綿延2300公里的“國寶”大堡礁，由于珊瑚大規(guī)模白化，已導致北部和中部區(qū)域約35%的珊瑚死亡或瀕臨死亡。白化現象最嚴重的部分珊瑚礁中，一半以上珊瑚已經死亡;剩余珊瑚中有一部分無法從白化恢復正常，死亡比例將進一步上升。

海洋酸化帶來的影響打破了地理邊界。

在北冰洋，翼足目類海螺是北冰洋食物鏈中重要的一環(huán)，是北極三文魚和鯡魚重要的食物。2013年發(fā)布的《北極海洋酸化評估：決策者摘要》，指出北極海洋正在酸化，并對海洋生物和漁業(yè)資源構成威脅。

祁第解釋，在pH值較低的海水中，為了保護自己，這些鈣化生物會長得越來越小、外殼越來越厚。作為餌料，它們的價值也會下降，這將影響漁業(yè)和水產養(yǎng)殖等，進而通過食物鏈破壞整個生態(tài)系統。

從時間橫軸來看，從第三次北極考察開始，我國北極科考酸化研究安裝了船載走航二氧化碳觀測系統，不僅可以觀測海洋吸收二氧化碳的量和潛力的變化，還可以為評估海洋酸化提供重要數據;基于中美國際合作，第四次北極科考開發(fā)的凈群落生產力走航觀測系統，擴展了生物過程對海洋酸化的影響研究和貢獻評估。

祁第表示，當前海洋酸化演化成全球生態(tài)環(huán)境危機，盡管在北冰洋開展海洋酸化研究有著“一葉而知秋”的重要意義，但也面臨重重困難，數據是一大瓶頸。

目前來自歐盟、美國、加拿大、日本和韓國等的科學家，都對北冰洋海洋酸化的研究給予了高度關注，并對北極陸架海域和南部海盆海水的酸化狀況、海冰融化、生物過程、太平洋冬季水入侵影響等進行了研究。面對全球大洋研究最為匱乏的區(qū)域之一，這些國家的科研人員同樣受困于高時空尺度的數據。

幾年前我國提出了以北冰洋和北太平洋酸化為重點海區(qū)的觀測網計劃(nPAOA-ON)。“我們對北冰洋酸化的研究表明，在全球氣候變化驅動下的海洋酸化沒有國界，人類需要攜手聚焦典型海域酸化實時監(jiān)測，組成全球觀測網并對酸化趨勢和影響評估，采取應對和減緩措施，以構筑保障海洋生態(tài)屏障。”陳立奇說。

此次科考中，我國同樣邀請了法國、美國科學家，乘坐“雪龍”號采集海洋酸化數據，就這一全球環(huán)境熱點問題開展科學合作。

“就目前的研究而言，海洋酸化的損害后果仍難以評估。”但祁第可以肯定的是，要了解酸化對海洋生態(tài)系統意味著什么，需要用數據說話，開展長期監(jiān)測研究。(陳瑜)

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